Реферат: Теория припекания порошковых слоев в двухпараметрическрй модели вязко пористой среды
ВВЕДЕНИЕ.
Научный анализ проблемы повышения надежности и долговечнности машин
показывает, что в настоящее время крайне нежелательнно решать вопросы
увеличения срока службы путем применения для изготовления деталей дорогих
высоколегированных материалов.
Основной путь обеспечения повышенных свойств деталей - сонздание материалов,
которые способны противостоять эксплуатацинонному воздействию при минимальных
износах или изменениях паранметров, которые влияют на функциональное
назначение деталей.
Долгое время для изготовления деталей применялись легируюнщие добавки. В
последнее время развивается технология изготовнления деталей с покрытиями.
Покрытия позволяют увеличить срок службы изделий, позволяют заменить дорогие
и дефинитные материналы более простыми и доступными, без снижения их
эксплуатационнных свойств.
Методы и материалы порошковой металлургии приобретают все большее значение в
развитии научно-технического прогресса в промышленно развитых странах. Они
проникают во все отрасли народнного хозяйства и во все большей мере помогают
решать сложнейшие проблемы развития новой техники.
Новые материалы, создаваемые методами порошковой металлурнгии, являются в
ряде случаев основой коренного улучшения сущенствующих и создания новых
технологических процессов в машиностронении, металлургии, химической и других
отраслях промышленности.
Основными методами получения покрытий из порошковых матенриалов являются:
наплавка, газотермическое напыление, а также припекание.
Получение спеченного слоя на поверхности детали, прочно присоединенного к
основе, называется припеканием.
Важнейшей технологической операцией в порошковой металлурнгии, которая
определяет структуру и свойства порошковых материналов, является спекание.
Прогресс в области создания научных основ и технологии спекания определяет
уровень эксплуатационнных свойств ряда огнеупорных, жаропрочных,
конструкционных и других материалов, которые играют важную роль в развитии
нанучно-технического прогресса в целом.
Наука о спекании развивается по таким основным напрвлениям: активизация
процесса введением специальных малых добавок металлов и соединений, спекание
под давлением, спекание с понмощью электронагрева и электроразрядное.
Основными видами порошковых материалов и изделий массового производства
являются конструкционные, антифрикционные, высоконпористые. Но появляются и
самостоятельные научные и технологинческие направления создания новых
материалов, таких как инструнментальные, аморфные, материалы с
ультрадисперсной структурой и др.
Открытие аморфных металлических сплавов - одно из самых значительных событий
в материаловедении нашего столетия. Металнлические сплавы в стеклообразном
состоянии обладают рядом уникальных свойств, которые не могут быть обеспечены
металлами в кристаллическом состоянии: высокой прочностью и твердостью в
сочетании с удовлетворительной пластичностью, высокой коррозинонной и
радиационной стойкостью и рядом других свойств.
Чтобы на поверхности детали получить прочный слой, котонрый имел бы хорошее
сцепление с основой, необходимо активиронвание поверхности детали, порошка
или того и другого вместе. Технологически наиболее доступным и эффективным
следует считать следующие процессы активирования:
1) Химическое - введение специальных добавок, которые уменьшают окисление и
разрушают окисные пленки;
2) температурное - ускоренный нагрев, введение присадок, которые снижают
температуру плавления на контактах;
3) силовое - необходимое для получения надежного контактирования и ускорения
процесса спекания понрошка .
При химическом активировании в шихту вводятся активные принсадки, в основном
в виде дисперсного порошка, чтобы небольшое по объему и весу количество его
наиболее равномерно распределинлось во всей порошковой системе. В качестве
присадок часто иснпользуют бор, фосфор, никель и др.
Силовое активирование необходимо во всех случаях, так как без надлежащего
контакта частиц друг с другом и с поверхностью детали отсутствуют условия
припекания, потому что нагрев разнрозненных или находящихся в недостаточно
тесном контакте часнтиц не обеспечивает получение спеченной системы. Силовое
акнтивирование в значительной степени ускоряет диффузионные пронцессы и
наряду с температурным фактором является главным для получения необходимых
физико-механических характеристик слоев.
Температурное активирование заключается в ускоренном нангреве, который
сопровождается повышением активности диффузионнных процессов, в создании на
некоторое время локальных темпенратур, повышающих температуру плавления и в
снижении температуры появления жидкой фазы (прослойки).
Теоретическим подходом при анализе путей образования понкрытий из порошков
явилось использование методов термодинаминки необратимых процессов и
физической кинетики.
Кинетика уплотнения припекаемых покрытий изучена в рабонтах [3-7].
Для теоретического анализа проблемы уплотнения припекаенмых покрытий в
условиях постоянной и переменной температур спенкания порошка важно
располагать наиболее хорошо согласующуюся с опытом моделью процессов.
Такая модель была предложена в работах [3,6,8]. Она использует идеи теории
вязкого течения компактного материала порошкового слоя, разработанную в [5],
но в отличие от этих работ предполагается учет структурной перестройки
припекаемого порошка.
Модель хорошо зарекомендовала себя при анализе изотерминческих процессов
спекания. Однако в рамках этой модели было недостаточно учтено влияние
температуры. Не был детально изунчен и процесс уплотнения слоя при нагреве
его с некоторой сконростью с учетом структурной перестройки среды.
Исходя из всего этого, в работе поставлена следующая зандача: провести
исследование кинетики уплотнения припекаемых покрытий в условиях нагрева с
постоянной скоростью с учетом структурной перестройки материала порошка.
Для проведения конкретных расчетов использована трехпараметрическая модель
вязкой пористой среды.
ГЛАВА I. ТЕОРИЯ ПРИПЕКАНИЯ ПОРОШКОВЫХ СЛОЕВ В ДВУХПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ
ВЯЗКОЙ ПОРИСТОЙ СРЕДЫ.
з 1. Двухпараметрическая модель припекаемой системы.
Рассмотрим одну из возможных моделей припекаемой системы, в которой с
течением времени происходит перестройка, сопровождающаяся понижением
активности. Эта модель для случая жидкофазных прослоек была предложена в
работе [4], а в более общем случае рассматривалась в [8].
Предположим, что система в каждый момент времени припекания представляет из себя
лраствор двух подсистем различной активности, которые характеризуются
кинетическими константами
и в зависимости
(1)
Обозначая через
объем компактного вещества подсистемы I и соответственно, через
объем компактного металла подсистемы II, положим:
(2)
Это неравенство, вообще говоря, может быть не очень сильным.
Введем объемные доли подсистем в лрастворе
;
и
(3)
Компактное вещество подсистем II, I будем принимать в нашей модели
несжимаемым. Предполагается, что изменение объема более активной подсистемы I
с течением времени происходит согласно простейшему уравнению:
(4)
Отсюда следует, что
(5)
Здесь - начальная объемная доля подсистемы I в лрастворе.
Таким образом, получим для объемных долей подсистемы соотношения:
; (6)
Введено характерное время существования (время жизни) подсистемы I
(7)
В простейшем случае можно предположить, что и тогда
; (8)
Дальнейшие рассуждения связаны с рассмотрением диссипативной функции
лраствора, которую, очевидно, можно представить в виде суперпозиции
диссипативных функций подсистем.
(9)
Используя следующие приближение:
, (10)
будем иметь:
(11)
Приняли касательное напряжение в лрастворе одинаковым для всех подсистем.
Переходя к усредненным по объему всей системы параметрам, находим:
(12)
Если положить , то для кинетической константы лраствора будем иметь уравнение:
(13)
в случае
(14)
Проинтегрируем правую часть
с учетом уравнения (13) и соотношений (8).
Получим:
(15)
Из общего уравнения (15) имеем приближенные уравнения для начальной и
конечной стадии процесса:
(16)
(17)
Проанализируем влияние скорости нагрева на процесс припекания, используя
результаты работы [10].
Положим скорость нагрева
(18)
и примем кинетическую константу в виде:
(19)
где упрощено представлена энергия активизации высокотемпературной ползучести
в виде:
(20)
Интегрируя кинетическое уравнение, сделав замену переменной, согласно
(21)
получим:
(22)
Учитывая определение
,
и выполняя в (22) замену переменной, находим:
(23)
Для области можно воспользоваться приближенным представлением [2, 3]:
(24)
Получится следующее уравнение процесса припекания слоя:
(25)
Поскольку , второе слагаемое в скобках справа можно опустить.
Тогда уравнение упростится:
(26)
Из анализа (26) следует, что для получения заданной пористости покрытия
необходимо согласовывать величину среднего активирующего давления со
скоростью нагрева, и более высокие значения требуют больших, активирующих
процесс припекания, давлений.
Величину активирующего давления следует ограничивать значениями 30-40 Мпа.
Нагрев необходимо проводить с уменьшенной скоростью.
з 2. Метод вычисления средних по объему.
Рассмотрим метод вычисления по объему порошкового слоя, значение его величины
в соответствии с [5]. Причем выражено она будет через усредненные по объему
параметры вязкости порошковой системы, внешние силы, приложенные к границам
слоя, и геометрические параметры границ.
Имеем по определению:
(1)
Интеграл в (1) взят по всему объему V пористой среды. С другой стороны у нас
(2)
Поэтому выражение (1) приводится к виду
(3)
Здесь - среднее значение функции в объеме пористого слоя.
Запишем граничные условия в виде:
(4)
где - компонента
единичного вектора внешней нормали в декартовых координатах х1,
х2, х3, а
- компоненты внешней силы, отнесенные к единице площади граничной поверхности
.
Введем в рассмотрение тензор 3-го ранга:
(5)
В силу обобщенной теоремы Гаусса-Остроградского, имеем:
(6)
Здесь вектор площадки на границе можно представить согласно
(7)
С другой стороны, имеем для интеграла слева в (6) выражение, вытекающее из
определения:
(8)
Как и в [5] примем сначала, что можно пренебречь силами инерции в слое, а
также предположим, что нет массовых сил:
.
Тогда имеем уравнение равновесия слоя:
(9)
и
(10)
Это уравнение получено посредством (6) и (8).
Подставляя этот результат в (3), получаем, положив :
(11)
Таким образом, среднее значение величины
выражено через кинетическую константу
процессов в компактном материале слоя, усредненную функцию пористости
, внешние силы и
геометрические параметры границы.
з 3. Кинетика припекания слоя в жесткой пресс-форме.
Внешнее давление приложено вдоль оси OZ.
, все , кроме . (12)
Далее имеем
(13)
Вычисляем поверхностный интеграл, учитывая граничные условия в (13)
(14)
При вычислении (14) заменили средне по области границ значение величины
на . Подставляя
результат (14) в (11), получим:
(15)
Отсюда следует кинетическое уравнение припекания:
(16)
В дальнейшем будем опираться на это уравнение.
Если проинтегрировать (16) при , то получим
(17)
Использовались соотношения:
(18)
(19)
(20)
(21)
ГЛАВА II. ТЕОРИЯ ПРОЦЕССОВ ПРИПЕКАНИЯ С ПОСТОЯННОЙ СКОРОСТЬЮ НАГРЕВА СЛОЯ.
з 1. Спекание с
Используя материал главы I, рассмотрим процессы припекания в условиях
переменной температуры.
Положим
(1)
Тогда уравнение (16) главы I с учетом соотношений (18-21) примет вид:
(2)
Здесь
(3)
причем,
,
, (4)
Функция пористости имеет вид:
(5)
Рассмотрим влияние температуры на кинетические константы в модели
двухпараметрической кинетики неоднородной среды.
Для этой цели используется семейство изотерм спекания порошка ПГ-СР4,
полученных в лабораториях износостойких покрытий ИНДМАШ АН БССР при
МПа и температурах спекания
К (рис.1).
Рассмотрим зависимости:
(6)
для четырех изотерм в функции величины .
Теоретически должна иметь место линейная зависимость от .
Результаты сопоставления с экспериментом представлены на рис. 3.1 и 3.2. На
рисунке 3.2 заметен явный выброс одной точки из общего расположения остальных
точек вдоль одной прямой. Причинами такого выброса могут быть:
1) Ошибка экспериментаторов при снятии кривых
(рис.1), использованных в данных расчетах;
2) Наличие малого количества точек (всего 4)
для построения графика, вследствие чего возможно лишь предполагать, что есть
тенденция к линейной зависимости.
Анализ прямых (рис.3) говорит о том, что с ростом температуры припекания
существенно возрастают кинетические константы
и и ускоряется
кинетика уплотнения процесса.
На рис.2 представлены экспериментальные зависимости пористости образцов из
порошка ПГ-СР4 при его припекании со скоростью нагрева
к/с в диапазоне давлений
МПа.
В теоретическом анализе проблемы нагрева образцов с постоянной скоростью с
помощью дифференциального уравнения (15), рассматривается несколько случаев.
Ввели наиболее простую модель:
(7)
т.е. полагается, что вид зависимости Т кинетической константы процесса
спекания не меняется во всем диапазоне температур.
В этом случае имеем: (см.з1 гл.I)
(8)
Здесь интегральная показательная функция
(9)
для случае можно воспользоваться приближенным представлением
(10)
Тогда с учетом обстоятельства и условия (10), имеем:
(11)
или
(12)
Здесь коэффициент включен в константу .
На рис.4 представлена зависимость
от по
экспериментальным данным (кривая 2 на рис.2).
На графике виден некоторый излом при переходе от одного диапазона температур
к другому.
Отклонение графика от теоретической зависимости (12) обусловлено, по всей
вероятности, перестройкой в спекаемом порошке ПГ-СР4 за счет которой
происходит изменение кинетической константы.
з 2. Постановка задачи в более общем случае (модель припекаемой системы с
тремя параметрами).
Произведем расчет кинетики припекания слоя в предположении, что в диапазоне
температур
(1)
структурная перестройка незначительна и можно положить в этом диапазоне
(2)
Полагая, что
, (3)
Имеем согласно сказанному выше:
(4)
В диапазоне температур
, (5)
где
, (6)
имеем
, (7)
где
и •
(8)
То есть, мы учитываем структурную перестройку. Время t здесь
отсчитывается от момента достижения слоем порошка температуры
.
Полное прекращение функции пористости
за все время припекания мы получим согласно:
(9)
Учитывая, что согласно (6)
, (10)
имеем приближенные значения кинетических констант и :
, (11)
Мы использовали в (11) разложение:
, (12)
где 1, 2
Теперь можно записать:
(13)
Здесь положено:
, ; (14)
, , (15)
Имея ввиду замену переменных в интеграле справа в (9) имеем:
(16)
Окончательный результат: 1-е слагаемое в (16) отвечает вкладу в
припеканию с нагревом в интервале (5), обусловленному активной подсистемой в
нашей модели; 2-е и 3-е слагаемое ответственны за припекание с кинетической
константой . Полное
изменение функций прироста
согласно (4) и (16) суть:
(17)
Отметим, что температура
для данного порошка может зависеть от приложенного извне давления, как это видно
из рисунка 2: с уменьшением давления,
увеличивается. Для порошка ПГ-СР4, как видно из эксперимента кривых (рис.2).
Кл (18)
|
| Рис.3.1 Зависимость кинетической константы от температуры при давлении Р = 30 МПа |
|
МАТЕРИАЛЫ РАБОТЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДЛЯ
ВНЕнКЛАССНОЙ РАБОТЫ СО СТАРШЕЛАССНИКАМИ.
Мы знаем, что разные детали, механизмы изнашиваются в пронцессе работы, и для
того, чтобы их отремонтировать и снова пуснтить в эксплуатацию, тратятся
большие средства. Надо, чтобы при изготовлении машин затрачивалось как можно
меньше материала, и чтобы изделие было качественным, подольше служило людям.
Однну из этих проблем и решает порошковая металлургия.
При рассмотрении изношенных деталей можно видеть, что изннашиванию подвержена
не вся деталь, а лишь ее поверхность, т.е. то, что соприкасается с другими
механизмами в процессе работы.
Таким образом, чтобы продлить жизнь детали, надо как можнно лучше обработать
ее поверхность, т.е. состояние поверхностнного слоя и определяет
работоспособность и срок службы деталей. Для того, чтобы обеспечить эти
свойства, создаются материалы, которые способны противостоять различным
воздействиям и обеспенчить небольшой износ. Долгое время для изготовления
деталей иснпользовались разные легирующие добавки. В настоящее время
разнвивается технология изготовления деталей нанесением покрытий различного
назначения на их поверхность. Покрытие предотвращает или замедляет
взаимодействие основы материала с окружающей срендой, защищая его от износа,
окисления при высоких температурах, и других видов разрушения. Разработка
составов и методов нанесения защитных покрытий различного назначения на
изделия из металлических материалов рассматривается сейчас как одно из
наиболее важных направлений материаловедения, развитие которонго позволит
существенно поднять технико-экономическую эффекнтивность производства и
уровень многих отраслей современной техники. Эта проблема актуальна сейчас и
будет актуальна в XXI столетии.
Разработка и применение покрытий вызваны следующими принчинами. В ряде
случаев задача защиты детали вообще не может быть решена без использования
покрытий. Например, нельзя иснпользовать детали из тугоплавких металлов
(молибдена, вольфранма) и сплавов на их основе при высоких (1070 К)
температурах в окислительных средах без защиты их поверхности от разрушения.
Кроме того, покрытия позволяют существенно увеличить срок служнбы изделий. А
также позволяют заменить дорогие и дефицитные материалы более доступными и
простыми без снижения их эксплуантационных свойств.
Кроме специфических требований, обусловленных условиями эксплуатации, есть
ряд общих требований, которые предъявляютнся почти ко всем типам покрытий. К
ним относятся плотность и сплошность покрытий, предотвращение проникновения
жидкой или газовой агрессивной среды к поверхности защищаемого материала,
совместимость с материалом основы.
Основными методами получения покрытий из порошковых матенриалов являются
наплавка, напыление, припекание.
Напыление - это процесс получения покрытий путем нагрева частиц материала до
высокопластического или расплавленного состояния и переноса их горячей струёй
газа на обрабатываемую понверхность.
В зависимости от источника энергии существующие методы и аппараты для
напыления можно разделить на газопламенные, плазнменные, электродуговые и др.
Достоинства напыления: почти полнное отсутствие термодеформаций и искажения
геометрических разнмеров заготовки, простота нанесения покрытий на
конструкции сложной конфигурации, малый вес и небольшие размеры оборудованния
и др.
Для нанесения толстых (от долей до нескольких миллиметров) покрытий применяют
наплавку. Для нее характерно то, что поверхнностный слой покрываемого изделия
расплавляется на определенную глубину и смешивается с наплавленным
материалом. Преимущества наплавки - широкий ассортимент применяемых
материалов, высокая производительность, возможность получения толстых
покрытий, что важно для восстановления деталей с большим допустимым износом.
Недостатком является разупрочнение материала основы в результанте
проплавления на большую глубину, что очень нежелательно.
Припекание - процесс получения покрытий из металлических порошков, который
заключается в нанесении на поверхность детанли порошкового слоя и нагрева его
до температуры, обеспечиваюнщей спекание порошкового материала и образование
прочной диффунзионной связи с деталью. Принципиально важно, что покрытие в
процессе нанесения практически не расплавляется.
Остановимся подробно на методе припекания.
Когда материал подвергается нагрузке, в нем происходит диффузия, тем более
активная, чем выше температура. Металл соснтоит из зерен, которые
деформируются под действием силы. В люнбом кристалле содержатся дефекты в
виде вакансий.
Текучесть жидкости объясняется тем, что жидкость пронизана вакансиями и,
прилагая к жидкости силу, заставляем диффузию протекать: атомы занимают
вакансии, которые перемещаются соотнветственно. Происходит это в направлении
силы и во всем объеме.
В результате приложения силы к металлу, возникает ускореннная диффузия между
источниками и стоками вакансий (т.е. между теми местами, где вакансий много и
теми где их мало). Такими источниками являются границы зерна. Единого потока
диффузии, как в жидкости нет, так как каждое зерно деформируется по-свонему.
Поэтому коэффициент вязкости металла зависит не только от коэффициента
диффузии, но и от структуры металла. Если зерно крупное, то
- увеличивается, если зерно мелкое, то
-уменьшается (
-
коэффициент вязкости). Итак, в результате протекания множества диффузионных
микропотоков, порошок припенкается к поверхности детали.
Процессы припекания очень неоднородны во времени и в пронстранстве.
На протяжении процесса
изменяется, так как структура металла нестабильна, т.е. зерна меняют свою
конфигурацию - мелнкие зерна поглощаются крупными.
Чтобы на поверхности детали получился прочный слой, хорошо сцепленный с
основой, необходимо активирование поверхности дентали, порошка или того и
другого вместе.
Технологически наиболее доступными и эффективными считанются следующие
процессы активирования:
химическое - введение специальных добавок, уменьшающих окисление и
разрушающих окисные пленки;
температурное - ускоренный нагрев, введение присадок, снинжающих температуру
плавления на контактах;
силовое - необходимое для получения надежного контактиронвания.
Температурное активирование заключается в ускоренном нагренве, который
сопровождается повышением активности диффузионных процессов, в создании на
некоторое время локальных температур, превышающих температуру плавления, и в
снижении температуры появления жидкой фазы за счет присадок.
Теория процессов спекания и припекання активно развиваетнся вот уже около 40
лет, совершенствуются порошковые технологии. За ними большое, перспективное
будущее.
ВЫВОДЫ
1. Систематизирован материал по литературным источникам понследних лет по
температурному активированию припекания порошковых покрытий.
2. Построена 3-х параметрическая модель припекаемой вязкой пористой среды.
3. Выполнены приближенные расчеты кинетики припекания пороншкового слоя в
рамках построенной модели; результаты принведены в соответствие с
экспериментами ИНДМАШ АН Беларуси для порошка ПГ-СР4.
4. Полученное уравнение кинетики припекания может служить основой дальнейших
экспериментов по температурному актинвированию процессов припекания различных
порошков.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория упругости. - М., Наука, 1965.
2. Алинзаде Ю.А. Теория упругости. - М., Высшая школа, 1976.
3. Дорожкин Н.Н., Абрамович Т.М., Жорник А.И. Получение покнрытий методом
припекания. - М., Наука и техника, 1980.
4. Ковальченко М.С., Теоретические основы горячей обработки пористых
материалов давлением. - Киев, Наукова думка, 1980.
5. Скороход В.В. Реологические основы теории спекания. - Киев, Наукова думка,
1972.
6. Дорожкин Н.Н., Абрамович Т.М., Кашинын Л.П. Теоретические основы получения
деталей с припеченным слоем. - Докл. АН БССР, 1974, т. 18, № 5.
7. Абрамович Т.М., Меленевский И.П., Ройзенвассер Л.С., Станровойтова Л.А.
Исследование кинетики уплотнения припекаенмых покрытий из металлических
порошков. - В кн. Повышение надежности и долговечности деталей машин,
механизмов и сварнных конструкций. - Мн, Бел. НИИНТИ, 1982.
8. Дорожкин Н.Н., Абрамович Т.М., Ярошевич В.К. Импульсные методы нанесения
порошковых покрытий. - Мн., Наука и технника, 1985.
9. Федорченко И.М. Современные тенденции в развитии порошковой металлургии. -
Порошковая металлургия, 1985.
10. Абрамович Т.М., Симонов Ю.А., Дорожкин Н.Н., Дьяченко О.В. Кинетика
уплотнения плазменно напыленного порошка системы Fe-Cr-B-Si
оплавленного лазерным лучом. Ц Сборник научных трудов 9 Международной
конференции лМатематические модели физических процессов, Таганрог, изд.
ТГПИ, 2003 г.
